碳纖維在風(fēng)力發(fā)電葉片中的應(yīng)用

劉 洋

（連云港中復(fù)連眾復(fù)合材料集團(tuán)有限公司，江蘇 連云港 222000）

1 應(yīng)用背景

風(fēng)能作為一種綠色環(huán)保型能源是可再生能源中最具開發(fā)潛力的能源之一。風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵動部件，其良好的設(shè)計、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行的決定因素，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)獲得較高風(fēng)能利用系數(shù)和較大經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)。隨著現(xiàn)代風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展及日趨成熟，為了降低風(fēng)電單位成本，風(fēng)機(jī)功率不斷提高，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組研究正沿著增大單機(jī)容量、減輕單位千瓦質(zhì)量、提高轉(zhuǎn)換效率的方向發(fā)展。葉片的長度和風(fēng)機(jī)的功率成正比，風(fēng)機(jī)功率越大，葉片越長。當(dāng)葉片長度增加時，質(zhì)量的增加要快于能量的提取，因為質(zhì)量的增加和風(fēng)葉長度的立方成正比，同時隨著葉片長度的增加，對增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和剛度等性能提出了新的要求，玻璃纖維在大型復(fù)合材料葉片制造中逐漸顯現(xiàn)出性能方面的不足。為了保證在極端風(fēng)載下葉尖不碰塔架，葉片必須具有足夠的剛度。減輕葉片的質(zhì)量，又要滿足強(qiáng)度與剛度要求，有效的辦法是采用碳纖維增強(qiáng)。當(dāng)風(fēng)力機(jī)超過3MW、葉片長度超過40m 時，葉片制造時采用碳纖維已成為必要的選擇。事實上，當(dāng)葉片超過一定尺寸后，碳纖維葉片反而比玻璃纖維葉片便宜，因為材料用量、勞動力、運(yùn)輸和安裝成本等都下降了目前丹麥Vestas 公司的V164-7MW 風(fēng)機(jī)，風(fēng)輪直徑長達(dá)164m，風(fēng)機(jī)葉片長達(dá)80m。此風(fēng)機(jī)最大創(chuàng)新除其具有超大尺寸，還在于它是基于成熟技術(shù)開發(fā)的中速傳動系統(tǒng)解決方案，能在很大程度上持續(xù)提升風(fēng)能捕捉效率。目前，

2 碳纖維應(yīng)用部位

風(fēng)電葉片發(fā)展初期，由于葉片較小，有木葉片、布蒙皮葉片、鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片、鋁合金葉片等等，隨著葉片向大型化方向發(fā)展，復(fù)合材料逐漸取代其他材料幾乎成為大型葉片的唯一可選材料。復(fù)合材料具有其它單一材料無法比擬的優(yōu)勢之一就是其可設(shè)計性，通過調(diào)整單層的方向，可以獲得該方向上所需要的強(qiáng)度和剛度。更重要的是可利用材料的各向異性，使結(jié)構(gòu)不同變形形式之間發(fā)生耦合。比如由于彎扭耦合，使得結(jié)構(gòu)在只受到彎矩作用時發(fā)生扭轉(zhuǎn)。在過去，葉片橫截面耦合效應(yīng)是一個讓設(shè)計人員頭疼的難題，設(shè)計工程想方設(shè)法消除耦合現(xiàn)象。但在航空領(lǐng)域人們開始利用復(fù)合材料的彎扭耦合，拉剪耦合效應(yīng)，提高機(jī)翼的性能。受此啟發(fā)人們在風(fēng)電葉片上引人彎扭耦合設(shè)計概念，控制葉片的氣彈變形，這就是氣彈剪裁。通過氣彈剪裁，降低葉片的疲勞載荷，并優(yōu)化功率輸出。而在選擇葉片材料的問題上，由于碳纖維比玻璃纖維昂貴， 采用百分之百的碳纖維制造葉片從成本上來說是不合算的。目前國外碳纖維主要是和玻璃纖維混和使用，碳纖維只是用在一些關(guān)鍵的部分。以下介紹的是碳纖維在葉片中應(yīng)用的主要部位。

1） 橫梁，尤其是橫梁蓋是目前碳纖維在風(fēng)電葉片中最重要的部位。相比玻璃鋼，玻璃鋼在提高葉片強(qiáng)度的同時卻大幅減輕了自身重量。2） 蒙皮表面，蒙皮表面整體使用碳纖維，可以降低作用在內(nèi)支撐梁上的受力和扭矩，通過設(shè)計可以實現(xiàn)“材料誘導(dǎo)式”的葉片受載彎扭耦合。據(jù)NEG 麥康公司的專利報導(dǎo)，葉片在總長度的60%～85%部分用玻璃鋼條帶加固葉片蒙皮橫截面外部圓周的一個薄層，該薄層可提高蒙皮抵抗拉力和壓力的能力。3） 前后邊緣，除了提高剛度和降低質(zhì)量外，還起到避免雷擊對葉片造成損傷的作用。4） 葉片根部，碳纖維應(yīng)用于葉片根部時，不僅可以提高根部材料的斷裂強(qiáng)度和承載強(qiáng)度，使施加在螺栓上的動態(tài)載荷減小，還可以增加葉根法蘭處的螺栓數(shù)量，從而增加葉片和輪轂連接處的靜態(tài)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。5） 靠近葉尖部分。由于靠近葉尖的部分采用玻璃鋼，其質(zhì)量較小，靠近葉根部分可以使用較少的材料，減小了在風(fēng)機(jī)輪轂上的負(fù)載。此外，剛度較大的葉尖部分可以減小由于葉片偏振太厲害以致葉片尖部擊打桿塔的危險。相對較硬的葉尖部分和相對較低剛度的葉根部分形成了一個有利的偏斜形狀，氣動阻尼增加，可以減小氣動載荷。同時，中間過渡區(qū)的存在避免了玻璃鋼和玻璃鋼之間剛度的突然變化導(dǎo)致的應(yīng)力集中。與只由玻璃鋼制成的葉片相比，該葉片具有優(yōu)異的剛度成本比

3 碳纖維在風(fēng)電葉片應(yīng)用中的優(yōu)勢

3.1 提高葉片剛度，減輕葉片重量

碳纖維的密度比玻璃纖維小約30%，強(qiáng)度大40%，尤其是模量高3 至8 倍。大型葉片采用碳纖維增強(qiáng)可充分發(fā)揮其高彈輕質(zhì)的優(yōu)點。荷蘭戴爾弗理工大學(xué)研究表明，一個旋轉(zhuǎn)直徑為120 米的風(fēng)機(jī)的葉片，由于梁的質(zhì)量超過葉片總質(zhì)量的一半，梁結(jié)構(gòu)采用碳纖維，和采用全玻纖的相比，重量可減輕40%左右;碳纖維復(fù)合材料葉片剛度是玻璃纖維復(fù)合材料葉片的兩倍。據(jù)分析，采用碳/?；祀s增強(qiáng)方案，葉片可減重20%～30%。

3.2 使風(fēng)機(jī)的輸出功率更平滑更均衡，提高風(fēng)能利用效率

使用碳纖維后，葉片重量的降低和剛度的增加改善了葉片的空氣動力學(xué)性能，減少對塔和輪軸的負(fù)載，從而使風(fēng)機(jī)的輸出功率更平滑和更均衡，提高能量效率。同時，碳纖維葉片更薄，外形設(shè)計更有效，葉片更細(xì)長，也提高了能量的輸出效率。

4 結(jié)語

21 世紀(jì)是高效、潔凈和安全利用新能源的時代，隨著風(fēng)電單機(jī)容量的增大，葉片尺寸趨于大型化，全球風(fēng)電行業(yè)迫切需要先進(jìn)復(fù)合材料及其制造技術(shù)，使得葉片生產(chǎn)材料必然向著強(qiáng)度更大、抗疲勞特性更好、質(zhì)量更輕的方向發(fā)展，所以碳纖維復(fù)合材料葉片具有極大優(yōu)勢和發(fā)展前景。研究結(jié)果和實際應(yīng)用情況均證實碳纖維應(yīng)用到風(fēng)機(jī)葉片中的可行性，于此同時我們應(yīng)該清楚認(rèn)識到在進(jìn)一步推廣應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料所遇到的問題，然后從原材料的制備、葉片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，成型工藝技術(shù)的提升、質(zhì)量控制等方面深入研究，不斷提高技術(shù)水平和創(chuàng)新能力，以求碳纖維增強(qiáng)材料在風(fēng)電領(lǐng)域得到更進(jìn)一步的應(yīng)用。